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暗物質和暗能量:我們從未見過,為何科學家堅信它們的存在?
2023/07/27

宇宙中的物質和能量有多少?科學家認為,我們只知道構成宇宙的大約 5% 的物質。

是的,您沒看錯。宇宙學模型表明,根據現有理論,宇宙的 95% 必須由看不見的能量和物質共同組成。

宇宙的不可見部分由暗能量和暗物質兩部分組成。后者稍微不那麼神秘,科學家們相當肯定它的存在:沒有它,引力規則根本就不起作用。如果只有可見物質的話,我們所看到的星系在大爆炸以來的時間內就不可能聚集到目前的大小。事實上,如果可見物質的引力是把它們拉在一起的唯一力量,許多星系甚至不會像現在這樣聚集在一起。 那麼,暗物質和暗能量到底是什麼?為什麼科學家認為它們存在?

暗物質是指不發光的,但有顯著的引力效應的物質。它可能是由一種或多種不同于普通物質(電子、質子、中子、微中子等)的基本粒子所構成。目前最熱門的候選粒子是大質量弱相互作用粒子(WIMP),它們與普通物質的作用非常微弱,以致于它們雖然存在于我們周圍,卻從來沒有被探測到過。另一種可能的粒子是軸子,它們被理論物理學家提出來解決強相互作用中CP問題,也很有可能是暗物質的成分之一。

暗物質存在的證據主要有以下幾個方面:

星系自轉曲線:觀測星系轉速時,發現星系外側的旋轉速度比牛頓引力預期的快,這就說明當中有看不見的暗物質。

星系與星系團觀測:觀測星系團碰撞時,發現暗物質與普通物質分開,形成了不同的重力透鏡效應。

宇宙微波背景輻射:觀測宇宙早期的微波輻射時,發現其溫度起伏反映了當時宇宙中物質密度的分布,其中暗物質起了重要的作用。

暗能量是指具有負壓,在宇宙空間中幾乎均勻分布或完全不結團的能量。它可能是由一種或多種未知的場或粒子所構成。目前最簡單的假設是暗能量就是愛因斯坦提出的宇宙學常數,即真空能。但也有其他更復雜的理論模型,如標量場、額外維度等。

暗能量存在的證據主要有以下兩個方面:

超新星觀測:觀測遙遠的超新星時,發現宇宙在加速膨脹,星系膨脹的速度不像哈勃定律描述的那樣,是恒定的,而是在不斷加速。按照愛因斯坦引力場方程,加速膨脹的現象推論出宇宙中存在著壓強為負的暗能量。

宇宙物質密度測量:觀測宇宙微波背景輻射和[[大尺度]]結構時,精確地測量出宇宙中物質的總密度。

但是,我們知道所有的普通物質與暗物質加起來大約只占其1/3左右,所以仍有約2/3的短缺。這一短缺的能量稱為暗能量。

暗物質和暗能量是現代宇宙學和粒子物理的重要課題,雖然我們無法直接觀察到暗物質和暗能量,但是我們可以通過它們對宇宙的影響來間接地證明它們的存在。這就像我們無法直接看到風,但是我們可以通過看到樹葉的擺動來知道風的存在一樣。它們我們是理解宇宙的關鍵,也是我們探索未知的重要線索。在未來,我們期待科學家們能夠揭開暗物質和暗能量的神秘面紗,讓我們對宇宙有更深入的理解。

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